Разработка структурных схем систем автоматического регулирования

При разработке проекта системы автоматизации решается ряд задач и в первую очередь решается вопрос выбора структуры системы управления. Структура системы управления – это совокупность составляющих автоматизированной системы, на которые ее можно разделить по определенным признакам, а также каналы передачи воздействия между ними. Графическое изображение структуры называется структурной схемой.

Выбор структуры управления объектом автоматизации оказывает существенное влияние на эффективность ее работы, надежность системы управления и т.д.

На рис. 3.5 представлена структурная схема системы автоматизации в общем виде.

Рис. 3.5. Общий вид структурной схемы

Система автоматизации включает в себя объект управления и саму систему управления этим объектом. Требуемый результат функционирования системы, характеризующийся параметрами x₁, x₂, …, x_n, достигается в результате определенного взаимодействия между системой управления и объектом автоматизации. К параметрам x₁, x₂, …, x_n можно отнести параметры, характеризующие ход технологического процесса (температура, давление, расход рабочей среды и т. д.).

Кроме основных параметров (x₁, x₂, …, x_n) работа объекта автоматизации характеризуется рядом вспомогательных параметров, y₁, y₂, …, y_u. К таким параметрам относятся, например, величины, характеризующие работу установок подготовки пара, они также должны контролироваться и регулироваться.

На объект в процессе его функционирования воздействуют возмущения f₁, f₂, …, f_p, которые вызывают отклонения параметров x₁, x₂, …x_n от заданных значений. Информация о действительных значениях x₁, x₂, …, x_n, y₁, y₂, …, y_u поступает в систему управления, где происходит ее сравнение с заданными для них значениями g₁, g₂, …, g_k. В случае их отклонения от заданных, превышающего допустимое значение, система управления формирует воздействие ε₁, ε₂, …, ε_m, компенсирующее отклонение выходных параметров в сторону уменьшения отклонения

Таким образом, структурная схема содержит в общем виде основные решения по организационной, функциональной и технической структурам системы управления при соблюдении иерархии построения системы, а также данные о взаимосвязи между пунктами управления и контроля. При этом принципы организации оперативного управления технологическим объектом, состав и обозначения отдельных элементов структурной схемы, принятые при выполнении структурной схемы, сохраняются во всех документах проекта автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУ ТП).

Элементы структурной схемы изображаются, как правило, прямоугольниками, внутри которых обозначается их производственная структура. При этом выделяются цехи, участки, технологические линии, которые являются существенными для раскрытия в документах проекта всех взаимосвязей [12].

Проектирование структурных схем автоматических систем управления необходимо начинать с определения компонентов системы, составляющих измерительную часть АСУ ТП и управляющую часть. Компоненты измерительной части определяются измеряемыми параметрами и методами измерения.

При измерении температуры используются термоэлектрические преобразователи (ТЭП) или термопреобразователи сопротивления (ТПС), которые могут иметь выходной сигнал в виде ТЭДС (для ТЭП) и сопротивления (для ТПС) или унифицированный выходной токовый сигнал (0…5 мА, 0…20 мА или 4…20 мА). Если постоянный контроль температуры не предусмотрен, а ее измерение требуется только для функционирования АСУ ТП, то преобразователь температуры, не имеющий унифицированного выходного сигнала, комплектуется только нормирующим преобразователем с соответствующей номинальной статической характеристикой и выходным унифицированным сигналом. Если в АСУ ТП предусмотрен постоянный контроль измеряемой температуры, то сигнал от нормирующего преобразователя поступает в АСУ ТП и на регистрирующий прибор. Описанные структурные схемы приведены на рис. 3.6.

Рис. 3.6. Структурные схемы измерительного канала температуры

а – с использованием нормирующего преобразователя;

б – без использования нормирующего преобразователя.

При измерении давления используются преобразователи давления, имеющие выходные сигналы в виде постоянного тока, напряжения постоянного тока и др. Наиболее распространёнными являются преобразователи давления с выходным унифицированным токовым сигналом. Если требуется постоянный контроль давления, сигнал от преобразователя поступает к регистрирующему прибору и подается в АСУ ТП. Примеры структурных схем при измерении давления приведены на рис. 3.7.

Рис. 3.7. Структурные схемы канала измерения давления:

а – с постоянным контролем давления; б – без постоянного контроля давления

Структурная схема измерительного канала расхода главным образом определяется методом измерения. В случае использования метода переменного перепада давления составляющими измерительной системы будут: сужающее устройство, вспомогательное устройство (конденсационный/уравнительный сосуд), преобразователь перепада давления, блок преобразования сигнала (для преобразователей перепада давления с квадратичной характеристикой), регистрирующий прибор. Примеры структурных схем измерительного канала расхода приведены на рис. 3.8.

Рис. 3.8. Структурные схемы измерительного канала расхода методом переменного перепада давления:

а – с преобразователем перепада давления с квадратичной характеристикой; б – с преобразователем перепада давления с линейной характеристикой;

1 – объект управления; 2 – сужающее устройство; 3 – вспомогательное устройство; 4 – преобразователь разности давлений, 5 – блок преобразования сигналов; 6 – регистрирующий прибор

Структурные схемы измерения концентрации и уровня также опре- деляются методом измерения и типом средств измерений. Примеры структурных схем приведены на рис. 3.9.

Рис. 3.9. Структурные схемы измерительных каналов:

а – уровня; б – концентрации

После разработки структуры измерительного канала разрабатывается структура управляющего канала. В общем виде структура управляющей системы приведена на рис. 3.10.

Рис. 3.10. Структурная схема автоматизированной системы управления технологическим процессом

На вход регулирующего устройства от измерительного канала поступает текущее значение регулируемого параметра и заданное значение этого параметра, формируемое с помощью задатчика регулируемого параметра. При появлении отличия между этими значениями – рассогласования – регулирующее устройство вырабатывает воздействие, которое направлено на уменьшение появившегося рассогласования и приближение регулируемого параметра к заданному значению. Управляющее воздействие через блок ручного управления поступает на пусковое устройство. Блок ручного управления имеет два режима работы и выступает в роли коммутатора цепей. Так, в автоматическом режиме работы управление регулирующим органом выполняется регулирующим устройством, в ручном режиме работы управление осуществляется оператором. Пусковое устройство предназначено для усиления сигнала до уровня, необходимого для запуска исполнительного механизма, который, в свою очередь, воздействует на регулирующий орган.

Если АСУ ТП построена на основе микропроцессорного контроллера, связанного с автоматизированным рабочим местом оператора с помощью SCADA-системы, то выполнять переключение режима работы между ручным и автоматическим, а также задавать значения регулируемого параметра можно напрямую при помощи мнемосхемы. Структурная схема описанной системы показана на рис. 3.11

Рис. 3.11. Структурная схема автоматизированной системы управления технологическим процессом на основе контроллера

Таким образом, на этапе разработки структурной схемы решается ряд важных вопросов, причем принятые на этом этапе проектные реше- ния должны сохраняться и учитываться во всех документах АСУ ТП.

Задание на работу

Дано: автоматическая система регулирования параметра технологического процесса.

Требуется: разработать структурную схему заданной АСР, схему представить на листе формата А3, работа оформляется в соответствии с требованиями, изложенными в [13].